校園建筑應(yīng)急疏散路徑規(guī)劃及優(yōu)化研究綜述

(華北理工大學(xué) 河北 唐山 063210)

引言

近年來，在我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)的背景下，我國的建筑行業(yè)迅速崛起，城市的基礎(chǔ)設(shè)施愈加完善，中高層建筑、超高層建筑聳立，室外交通網(wǎng)絡(luò)也越來越復(fù)雜，城市災(zāi)害也愈加頻發(fā)。

在公共建筑中，校園建筑作為一種具有特殊功能的建筑，若遇到突發(fā)的災(zāi)害事故，容易對生命財產(chǎn)造成巨大損失，對社會引起重大負(fù)面影響。近些年來，我國教育事業(yè)蒸蒸日上，高校師生人數(shù)呈上升趨勢，人員密度也越來越大，在此背景下，校園建筑的應(yīng)急疏散問題越來越受到關(guān)注。

一、校園疏散特點(diǎn)

與傳統(tǒng)應(yīng)急疏散相比，校園疏散具有以下特點(diǎn)：

1.在時空分布上，人員相對集中，并具有一定的規(guī)律性。利用課表等相關(guān)信息，可以迅速的統(tǒng)計出人員的分布狀況，從而為學(xué)校人員提前規(guī)劃疏散路徑，避免盲目疏散。

2.校園中具有突出的人車混行特征。在校園中包括教學(xué)樓、禮堂、食堂等建筑，廣場、操場等空曠地區(qū)，校園內(nèi)道路等，在應(yīng)急疏散時，學(xué)生會借助可以利用的所有交通方式。校園中的路網(wǎng)是允許人車混合通行的，因此，在應(yīng)急疏散的過程中，具有顯著的人車混行特點(diǎn)。

3.校園疏散具有小團(tuán)體性。在校園中由于存在系和班級，會在疏散過程中表現(xiàn)出小團(tuán)體性，班長或輔導(dǎo)員可以給予一定的指引，便于規(guī)劃疏散路徑。

4.在校園建筑的疏散中，學(xué)生具有比較高的關(guān)注度，年齡又普遍較低，對應(yīng)急疏散過程也會有一定影響。

針對上述特征，傳統(tǒng)意義上制定疏散方案的方法是通過定期進(jìn)行疏散演練來達(dá)到的，在疏散演練的過程中，不僅可以對被疏散人員增加相應(yīng)的疏散經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)急技能，還可以通過分析疏散過程中的數(shù)據(jù)與問題，為制定和調(diào)整疏散方案提供參考。這種方式雖然可以科學(xué)合理的制定出高效的疏散方案，卻會耗費(fèi)巨大的人力物力[1]。

二、應(yīng)急疏散路徑規(guī)劃方法

規(guī)劃疏散路徑，對復(fù)雜建筑發(fā)生突發(fā)事件時的快速疏散，具有指示作用。通過對國內(nèi)外有關(guān)應(yīng)急疏散路徑規(guī)劃方法的研究，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)急疏散路徑規(guī)劃方法上，主要應(yīng)用蟻群算法、A＊算法、Dijkstra算法等進(jìn)行路徑規(guī)劃，并針對路徑規(guī)劃方法提出了獨(dú)特見解，對校園建筑的應(yīng)急疏散研究奠定了基礎(chǔ)。

Lim G J，Zangeneh S，Baharnemati M R(2012)在《A capacitated network flow optimization approach for short notice evacuation planning》中提出的多種類動態(tài)網(wǎng)絡(luò)流問題規(guī)劃是在時間為擴(kuò)展的基礎(chǔ)上，以尋找疏散范圍內(nèi)每一個節(jié)點(diǎn)上的疏散路徑、流量和進(jìn)度為目的。研究中在求解最優(yōu)規(guī)劃路徑上采用Dijkstra算法，在求解最短路徑上允許通過的最多逃生人員的可能數(shù)上采用Ford-Fulkerson算法[2]。此研究的獨(dú)到之處在于認(rèn)為疏散路徑上的人員流量是恒定的模型假設(shè)上。

Mishra G，Mazumdar S，Pal A(2015)的《Improved Algorithm for The Evacuation Route Planning Problem》為解決SSEP問題，即單源單匯疏散路線計劃問題，提出的改進(jìn)算法，在對比CCRP算法，即能力約束路徑規(guī)劃算法后發(fā)現(xiàn)，此算法在疏散時間以及運(yùn)行時間上都存在優(yōu)勢[3]。此研究解決了單源單匯問題，但是實(shí)際發(fā)生突發(fā)事件，對人員進(jìn)行疏散是多源多匯問題，在以后的研究中應(yīng)在單源單匯問題向多源多匯問題的轉(zhuǎn)化上多做努力，使研究更加符合現(xiàn)實(shí)要求。

Cuesta A，Abreu O，Balboa A(2017)在《Real-time Evacua-tion Route Selection Methodology for Complex Building》中提出的實(shí)時決策方法是一種基于復(fù)雜建筑物內(nèi)部選擇最優(yōu)疏散路徑的方法，其目的是達(dá)到最短疏散時間，找到最安全的疏散路徑。在對其有效性的評估中，將隨機(jī)疏散模型與商業(yè)疏散模型STEPS做對比[4]。此研究在自動檢測模型和危險傳播模型上比較缺乏，是其不可忽視的缺點(diǎn)。

趙映杰[5](2012)的《虛擬逃生系統(tǒng)中路徑規(guī)劃技術(shù)的研究與應(yīng)用》在改進(jìn)A＊算法上利用了分級路徑捜索方法，使得改進(jìn)后的算法在搜索效率上有了提高，并將該算法在校園虛擬火災(zāi)逃生系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用。

華東師范大學(xué)的教授李響的團(tuán)隊在疏散過程的研究中考慮到疏散路徑的擁堵情況，提出了一種應(yīng)用于多層多出口的建筑物室內(nèi)應(yīng)急疏散路徑計算方法。

李清泉、李秋萍、方志祥(2011)的《一種基于時空擁擠度的應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化方法》在疏散過程的研究中考慮到疏散路網(wǎng)隨著疏散人員的移動可能會有擁擠堵塞現(xiàn)象發(fā)生，建立了一個擁堵衰減函數(shù)來描述疏散路網(wǎng)隨著疏散時間的變化，可以提供實(shí)時疏散逃生路徑給疏散人員，避免擁堵現(xiàn)象的發(fā)生。

對相關(guān)文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)的應(yīng)急疏散研究中，主要為單源單匯的疏散問題，但實(shí)際突發(fā)事件發(fā)生時的應(yīng)急疏散是多源多匯問題，學(xué)者們在考慮實(shí)際的基礎(chǔ)上，對應(yīng)急疏散方法進(jìn)行改進(jìn)，使算法更符合實(shí)際；在人員疏散的過程中，擁擠堵塞現(xiàn)象普遍存在，研究中通過限定路徑上的人員流量或建立與人員擁擠相關(guān)函數(shù)及模型，來避免擁擠堵塞現(xiàn)象的發(fā)生，保證疏散的順利進(jìn)行。

三、路徑優(yōu)化模型及其算法

路徑優(yōu)化模型及其算法是規(guī)劃應(yīng)急疏散路徑的核心內(nèi)容。國內(nèi)外許多學(xué)者對于路徑優(yōu)化模型的研究投入了大量精力，對優(yōu)化后的算法也進(jìn)行了驗(yàn)證和模擬，對校園建筑應(yīng)急疏散的研究與路徑的優(yōu)化提供了理論及幫助。

Khalid M N A，Yusof U K(2015)在《An artificial Immune Approach for Optimizing Crowd Emergency Evacuation Route Planning Problem》中提出的人群疏散模型，考慮了疏散人員個體之間的相互作用以及人群集體模式，并在求解ERP(應(yīng)急路徑規(guī)劃)問題上采用人工免疫算法，在對進(jìn)行模型評價后，利用各種實(shí)驗(yàn)對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，以期使模型達(dá)到最佳效果[6]。

Duan P，Xiong S，Yang C[7](2016)的《Personalized route planning system based on Wardrop Equilibrium model for pedestrian-vehicle mixed evacuation in campus》所提出的關(guān)于校園應(yīng)急疏散模型是一種以人車混合疏散為基礎(chǔ)的個性化路線規(guī)劃模型，該模型為了找到與系統(tǒng)均衡接近的最佳用戶平衡，考慮了人車間混合疏散產(chǎn)生的擁擠和學(xué)生疏散過程中的實(shí)際因素。服務(wù)器在Wardrop均衡模型的基礎(chǔ)上，計算出優(yōu)化后的疏散路線，并通過智能移動終端引導(dǎo)人員進(jìn)行撤離。為驗(yàn)證該算法可行，以武漢理工大學(xué)為例，應(yīng)用該模型模擬應(yīng)急疏散過程，最終證明該模型在指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)疏散中具有科學(xué)依據(jù)。

何健飛、劉曉(2013)在《基于擁擠度的地鐵應(yīng)急疏散路徑優(yōu)化方法》中建立的應(yīng)急疏散模型，是以地鐵站為背景，考慮了疏散人群的服從度與擁擠度，該模型首先生成的分配方案是采用的前k條最短路徑算法，而后在對每個疏散個體規(guī)劃新的路徑進(jìn)行疏散時采用改進(jìn)的拍賣算法，在疏散過程中運(yùn)用此模型后的，疏散人員之間的擁擠程度得到了降低，疏散效率得到了提高[8]。該模型在算法上具有較低的復(fù)雜程度且易被跟蹤的最短路徑的優(yōu)點(diǎn)。

董崇杰、劉毅、彭勇(2016)在《改進(jìn)布谷鳥算法在人群疏散多目標(biāo)優(yōu)化中的應(yīng)用》中將布谷鳥搜索算法所存在的不足與差分進(jìn)化法進(jìn)行整合，提出的改進(jìn)后的布谷鳥搜索算法是以差分進(jìn)化法為基礎(chǔ)，并在此算法的基礎(chǔ)上建立了以擁擠度、疏散時間以及總路徑長度為基礎(chǔ)指標(biāo)的人群疏散多目標(biāo)模型[9]。

彭華、李引擎，孫旋(2010)的《疏散過程中的路徑規(guī)劃與多出口選擇》所提出的多出口選擇模型是一種存在相應(yīng)約束條件的疏散模型，此模型利用加權(quán)法將復(fù)雜的多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)變?yōu)楹喡缘膯文繕?biāo)問題，所用的算法從導(dǎo)航點(diǎn)數(shù)量、人員半徑以及路徑長短等方面進(jìn)行考慮，解決了目標(biāo)點(diǎn)與導(dǎo)航點(diǎn)的連接仍然相交于威脅區(qū)域情形下的路徑規(guī)劃問題[10]。

對相關(guān)研究分析發(fā)現(xiàn)，在疏散的過程中，考慮到疏散人員的社會行為和社會現(xiàn)象以及校園環(huán)境下的人車混行特點(diǎn)，使建立的疏散路徑模型更加符合實(shí)際；在考慮疏散人群擁擠度的基礎(chǔ)上，建立疏散路徑優(yōu)化模型，有效改善疏散過程中的擁擠堵塞現(xiàn)象，提高疏散的安全性。

四、結(jié)論

近年來，隨著城市災(zāi)害的頻繁發(fā)生，對建筑物的應(yīng)急疏散研究也越來越多。通過對國內(nèi)外有關(guān)應(yīng)急疏散路徑及優(yōu)化的發(fā)展和現(xiàn)狀的研究，可以看出國內(nèi)外對大型建筑或公共建筑突發(fā)事件下的應(yīng)急疏散方面的研究已逐漸成熟，并有不少研究成果，但還是在火災(zāi)或地震等單一災(zāi)害發(fā)生下的研究較多；在國內(nèi)外的研究中，利用智能優(yōu)化算法建立科學(xué)有效的疏散模型，對被疏散人員進(jìn)行高效的疏散，這些成果為研究校園建筑在發(fā)生突發(fā)事件時制定合理有效的應(yīng)急疏散方案提供了基礎(chǔ)。